ATO/PU透明隔熱涂料的制備與性能研究

榮金闖，吳 平，王 哲，黃 菊

建筑物、汽車、頂棚等大面積使用玻璃等透明材料時，太陽光的熱輻射產(chǎn)生的能耗問題將導致巨大的能源浪費[1-2]。而太陽光的光譜由紫外光波段（200～380 nm）、可見光波段（380～780 nm）和紅外線波段（780～2 500 nm）組成，其比例分別為3%，44%和53%。可見太陽光的能量基本來自可見光區(qū)和近紅外光區(qū)[3,4]。為了得到較好的透明隔熱效果，可在保證玻璃的透明性及透光性前提下，有效阻隔紅外光的能量。同時，隨著人們對低碳經(jīng)濟的認可，節(jié)能環(huán)保類材料也成為研究的熱門[2,5-7]，為了滿足人們對于透明隔熱材料日益增長的需求，如何通過在玻璃上涂鍍透明隔熱膜達到預設的節(jié)能效果是當下我們研究的主要問題[8]。

納米氧化錫銻（Antimony Doped Tin Oxide，ATO）是一種具有較高選擇性的功能粉體，對可見光透過率高，而對紅外光卻具有較好的屏蔽性能。以ATO為填料制備的透明隔熱涂料涂覆在玻璃表面，將能起到較好的透光隔熱作用。本實驗以納米氧化錫銻為隔熱填料，水性聚氨酯為成膜物質(zhì)，制備透明隔熱涂料，并對其透光性、隔熱性能和物理性能進行研究。

1 實驗部分

1.1 原料及器材

納米氧化錫銻GN-P-A02，納米技術及應用國家工程研究中心；硅烷偶聯(lián)劑KH-570，化學純，國藥集團化學試劑有限公司；水性聚氨酯，工業(yè)級，濟寧華凱樹脂有限公司；聚乙二醇，消泡劑、流平劑等均為國產(chǎn)試劑。

多功能分散機CSF-400，上海創(chuàng)微機電設備有限公司；超聲波處理器FS-250N，上海生析超聲儀器有限公司；紫外-可見-近紅外分光光度計Lambda750，美國PE公司；醫(yī)用離心機，H1850，湖南湘儀實驗室設備有限公司。

1.2 透明隔熱涂料的制備

取一定量水性聚氨酯，用高速分散機在3 000 r/min轉速下以一定比例加入pH=9的自制ATO水性漿料，并加入硅烷偶聯(lián)劑攪拌30 min。攪拌過程中可加入少量有機硅消泡劑消泡。

將所制透明隔熱涂料用四刃框式涂布器涂膜面進行涂膜，均勻覆蓋于70 mm×30 mm×3 mm玻璃片上，涂膜前用稀鹽酸浸泡玻璃片以清除雜質(zhì)。涂膜后放入恒溫干燥箱烘干固化，并用相同方法制備不含ATO漿料的空白試樣，用以對比試驗。所制備的涂膜中ATO質(zhì)量分數(shù)分別為：0%，1%，2%，3%，4%，5%，10%，固化后待測。

1.3 透明隔熱涂料性能測試

1.3.1 透光性能

利用Lambda750紫外-可見-近紅外分光光度計測量涂膜在200～2 500 nm的透過率。測量時每隔5 nm記錄一次數(shù)據(jù)。

1.3.2 隔熱性能

隔熱性能測試使用規(guī)格為40mm×40mm×3mm玻璃片，分別于碘鎢燈和太陽光照條件下測試。自制涂膜隔熱性能測試裝置如圖1所示，用于測試涂膜隔熱性能。

圖1 碘鎢燈隔熱性能測試裝置

將涂抹隔熱涂料的玻璃與空白玻璃分別置于碘鎢燈兩側，將兩個溫度計分別放置于左腔室和右腔室。在泡沫箱底部放置500 W碘鎢燈光源，每隔30 min記錄一次數(shù)據(jù)，比較左右兩腔室內(nèi)溫度變化，分析結果并比較。

1.3.3 物理性能

依據(jù)相關國家標準，按照GB/T 1720-1989測試方法，測試涂膜的漆膜附著力性能；按照GB/T 6739-2006測試方法，測試涂膜的鉛筆硬度性能；按照GB/T 1733-93測試方法，測試涂膜的漆膜耐水性能；按照GB/T 1735-1979測試涂膜的耐熱性能。

2 結果與討論

2.1 ATO固含量對透光性能的影響

對涂膜在400～2 500 nm波長范圍內(nèi)的透過率測定結果如圖2所示?？梢钥闯?，空白玻璃組透過率超過90%，紅外透過率超過85%；1%固含量ATO涂膜透過率達到75%，紅外阻隔率僅為33%；2%固含量ATO涂膜可見光透過率為71%，紅外阻隔率為35%。當ATO 固含量達到3%時，其可見光透過率為71%，紅外阻隔率高達57%；當ATO固含量分別為4%，5%，10%時，可見光透過率僅為64%，57%，50%。由此可見，對含有ATO的涂膜，在400～720 nm可見光區(qū)域，樣品可見光透過率隨ATO固含量增大而減小，透光率較高；在720～500 nm的近紅外可見光區(qū)域，ATO固含量增大導致涂膜的紅外阻隔率越來越高。ATO固含量為3%時，同時滿足了對較高透光率和對紅外光有效的阻隔。

圖2 不同ATO固含量涂膜透光性能測試結果

2.2 涂膜厚度對透光性能的影響

在已獲得最佳ATO固含量為3%的基礎上改變涂膜厚度，分別制得75 μm，100 μm，125 μm，150 μm涂膜，對其在400～2 500 nm范圍內(nèi)透過率測試，結果如圖3所示。

圖3 不同厚度涂膜透光性能測試結果

由圖3可知，100 μm涂膜與75 μm涂膜在可見光區(qū)的透過率相差不大，均超過70%，而100 μm涂膜在紅外光區(qū)的透過率明顯更低，紅外阻隔效果更佳。隨著涂膜厚度增加，125 μm及150 μm涂膜在可見光區(qū)透過率相較100 μm明顯降低，紅外光區(qū)透過率卻基本相當，所以涂膜厚度以100 μm為宜。

2.3 涂膜隔熱性能測試結果

2.3.1 日照條件下涂膜隔熱性能

在已確定ATO固含量3%配比和100 μm涂膜厚度的條件下，制備涂膜樣品，對涂膜樣品和空白玻璃進行隔熱性能測試，測試結果如圖4所示。

圖4 日照條件下隔熱箱內(nèi)溫度變化曲線

由圖4可知，開始時二者溫差變化較小，隨著照射時間延長，溫差逐漸增大。經(jīng)5 h的日照照射后，空白玻璃組隔熱室內(nèi)溫度為31 ℃，而涂膜樣品隔熱室溫度僅為26.7 ℃，溫差達到4.3 ℃左右。

2.3.2 碘鎢燈照射下涂膜隔熱性能

以碘鎢燈做光源，對ATO固含量3%，厚度100 μm的涂膜樣品及空白玻璃組隔熱箱進行隔熱性能測試，測試結果如圖5所示。

圖5 碘鎢燈照射下隔熱箱內(nèi)溫度變化曲線

由圖5可知，在碘鎢燈照射下，隨著時間變化兩隔熱箱內(nèi)溫度急劇上升，溫差也隨之增大。照射1 min后，兩隔熱箱最大溫差就達到10 ℃左右，照射7 min，溫度已經(jīng)達到非常高，停止實驗，此時溫差約20 ℃左右。說明以納米ATO為功能填料的透明隔熱涂料具有明顯的隔熱性能。

2.4 涂膜物理性能測試結果

隔熱涂料物理性能測試結果如表1所示。

表1 涂料物理性能測試結果

由表1可知，該涂膜樣品的附著力和硬度都較為出色，耐水性及耐熱性均能達到使用要求。

3 結語

采用納米ATO為功能填料，以水性聚氨酯為成膜物質(zhì)制備了透明隔熱涂料，對其光譜性能、隔熱性能和物理性能進行測試，所得結論如下。

（1）當ATO固含量為3%，pH為9，涂膜厚度為100 μm時，制備出納米氧化錫銻透明隔熱涂料的涂膜光學性能最佳，可見光區(qū)透過率達70%，紅外阻隔率達60%。日照條件下隔熱實驗測得溫差約4.3 ℃。

（2）漆膜的附著力、耐水性、耐熱性測試實驗中，各涂膜樣品的附著力和硬度都較為出色，耐水性及耐熱性均能達到使用要求。

[參考文獻]

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